焦其松 張景發(fā) 姜文亮

1)中國地震局工程力學(xué)研究所，哈爾濱 150090

2)中國地震局地殼應(yīng)力研究所，地殼動力學(xué)重點實驗室，北京 100085

0 引言

青藏高原晚更新世以來經(jīng)歷了強烈的隆升運動，中部地殼變形以EW向伸展為主，發(fā)育一系列近SN向構(gòu)造帶，其中包括念青唐古拉山東南麓斷裂帶。斷裂帶的強烈活動在地表形成獨特的構(gòu)造地貌，河流作為構(gòu)造地貌研究中重要的地貌標(biāo)志之一，持續(xù)記錄了地貌演化過程中的構(gòu)造活動信息，而且對流域內(nèi)斷裂活動的響應(yīng)極為敏感，因此，研究河流縱剖面形態(tài)及坡度異常變化可以獲得該地區(qū)構(gòu)造活動的特征(Hack，1973;Marple et al.，1993;Brookfield，1998)。

前人對該斷裂帶幾何學(xué)、運動學(xué)特征進行了比較系統(tǒng)的研究并進行了詳細的地震地質(zhì)調(diào)查工作(Armijo et al.，1986，1989;吳章明等，1992，1994;吳中海等，2006)。近年來，利用遙感圖像及DEM進行與地震活動斷層有關(guān)的構(gòu)造地貌研究受到國內(nèi)外學(xué)者廣泛關(guān)注，開辟了構(gòu)造地貌研究的新領(lǐng)域(曹凱等，2007;付碧宏等，2008;Kirby et al.，2008;徐岳仁等，2013)。本文主要選用高分辨率ALOS和中等分辨率ETM+圖像，采用信息增強處理以及圖像融合方法，突出圖像中的各類構(gòu)造地貌單元特征，對圖像中裂谷系紋理、色調(diào)及含水性特征進行研究，建立遙感圖像解譯標(biāo)志，結(jié)合野外調(diào)查結(jié)果，重點對念青唐古拉山東南麓斷裂帶的分布與發(fā)育情況進行解譯;同時引入河長標(biāo)準(zhǔn)化坡降指標(biāo)參數(shù)(SL/K)和Hack剖面2個構(gòu)造地貌參數(shù)，分析其對區(qū)域構(gòu)造活動的指示意義，進而修正遙感解譯的斷裂位置，提高解譯精度。

1 研究區(qū)簡介

念青唐古拉山東南麓斷裂帶位于青藏高原中部西藏當(dāng)雄地區(qū)，全長約240km。受亞洲板塊和印度洋板塊碰撞的影響及地殼底部來自地幔的負浮力作用，青藏高原中部地區(qū)垂直方向上的應(yīng)力不斷增強，并超過水平應(yīng)力強度，應(yīng)力場由水平擠壓逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榻怪睌D壓及水平擴張為主，導(dǎo)致該區(qū)產(chǎn)生強烈伸展變形(徐紀(jì)人等，2005)。斷裂帶發(fā)育在該應(yīng)力場控制下的伸展走滑構(gòu)造環(huán)境中，形成剖面上為高角度正斷層兼具走滑性質(zhì)的斷裂組合模式，從遙感圖像上可以看出主斷裂位于基巖與第四系冰磧物接觸帶附近，偏冰磧物一側(cè)，為當(dāng)雄－羊八井盆地邊界主干斷裂，沿斷裂帶兩側(cè)地貌差異顯著，明顯呈三段式(F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3)展布，次級斷裂發(fā)育(圖1)。該斷裂在中更新世以來向盆地方向遷移過程中發(fā)生多期強烈活動，沿斷裂帶發(fā)育了高度不同的多期斷層崖、多期泉華臺地等構(gòu)造地貌單元。根據(jù)不同時期的斷層崖高度判斷，其垂直活動速率應(yīng)為0.4～2mm/a。其中，第四紀(jì)期間的長期平均垂直活動速率為(1.1±0.3)mm/a，而全新世期間的垂直活動速率明顯增大，為(1.4±0.8)mm/a(吳珍漢等，2002，2003，2005;吳中海等，2006)。

2 圖像處理及構(gòu)造地貌活動性分析方法

現(xiàn)今可用于活動斷裂解譯的遙感數(shù)據(jù)種類很多，可根據(jù)研究對象加以選擇。中低分辨率遙感資料可用于大區(qū)域構(gòu)造格架的解譯;高分辨率的遙感資料可精細地分析斷層的交切關(guān)系及構(gòu)造地貌。ENVI是目前應(yīng)用廣泛的一款遙感圖像處理軟件，其提供的HSV融合方法可進行RGB圖像到HSV色度空間的變換，用高分辨率的圖像代替顏色亮度值波段，自動用最近鄰、雙線性或三次卷積技術(shù)將色度和飽和度重采樣到高分辨率像元尺寸，然后再將圖像變換回RGB色度空間并輸出與高分辨率數(shù)據(jù)的像元大小相同RGB圖像，實現(xiàn)遙感圖像信息的增強。將Landsat ETM+圖像全色波段與多光譜波段融合得到15m分辨率的圖像，用于分析斷裂的空間展布特征，解譯拉分盆地、斷層崖以及地塹－地壘等較大尺度的活動斷裂地貌單元;將ALOS圖像全色波段和多光譜波段融合得到2.5m分辨率的圖像，用于解譯斷裂活動形成的斷塞塘、沖洪積扇及冰磧物錯斷等微地貌特征。此外，本文還引用了利用DEM進行構(gòu)造地貌分析的Hack方法。

Hack(1973)提出用一個簡單的半對數(shù)方程式定量地描述河流縱剖面坡度的變化，這里假定全河段抗蝕力相似，方程式為

式(1)中，H為河流縱剖面的高度，c為常數(shù)，k為SL參數(shù)，L為河流源頭至河段中點的距離。將河流離源頭的距離取對數(shù)，以河流高程H為縱軸生成的剖面即為Hack剖面。對于單位河段長度SL參數(shù)值，近似計算公式為

圖1 研究區(qū)遙感與地貌簡圖Fig.1 Remote sensing and geomorphic sketch map of the study area.

式(2)中ΔH為單位河段的高程差，ΔL為單位河段的長度，L為河流源頭至河段中點的距離。剖面從河流源頭到流域出口點連成一條直線，此直線代表該河流全河段達到動力平衡時的均衡狀態(tài)，其斜率稱為均衡坡降指標(biāo)，用K表示。不同河流的均衡坡降指標(biāo)不同，因此在比較不同河流間的河長坡降指標(biāo)時，需要對不同河段的SL參數(shù)進行標(biāo)準(zhǔn)化，標(biāo)準(zhǔn)化的方法是將每條河流不同小河段的坡降指標(biāo)除以該河流的均衡坡降指標(biāo)值(SL/K)，得到河長標(biāo)準(zhǔn)化坡降指標(biāo)。SL/K值介于2～10的為陡河段，＞10的為極陡河段(Seeber et al.，1983)。文中構(gòu)造地貌參數(shù)的提取以1/5萬地形圖等高線插值生成的DEM(水平精度25m)為數(shù)據(jù)源，利用ArcGIS水文分析及Origin軟件對河流高程縱剖面數(shù)據(jù)進行處理，得到相關(guān)地貌參數(shù)。

3 遙感解譯及構(gòu)造地貌分析

3.1 F1段遙感解譯

F1段總體走向NNE，長約50km，由多條次級斷裂組成。次級斷裂的走向變化于 N20°W和N30°E之間，其中NNW向的次級斷裂和NNE—NE向的次級斷裂相間排列(圖2)。甲赤崗至抹拖多，斷裂垂直錯動山前冰磧物臺地、河流階地，形成階梯狀分布的多級斷層崖，小型河流沖積扇呈串珠狀排列?，斎詹几窀浇嗥诎l(fā)育的沖積扇互相切割疊置，同時受斷層活動影響，扇體發(fā)育不對稱，呈左旋錯動，扇體面可見流水痕跡及沖溝，全新世時期活動跡象明顯。該段河流多呈直線狀似平行展布，并且多垂直于主干山脊，支流甚少，盆地中第四紀(jì)堆積物大多受到水流強烈切割?，斎詹几窀浇苷龜鄬踊顒佑绊懰党氏蛐臓畎l(fā)育，其余部分未見明顯水系轉(zhuǎn)彎，反映斷裂活動走滑分量較小。

圖2 F1段遙感圖像Fig.2 Remote sensing image of the section F1.

3.2 F2段遙感解譯

圖3 F2段遙感圖像Fig.3 Remote sensing image of the section F2.

F2段長約130km，總體走向約為 N45°E，由一系列沿念青唐古拉山東南麓斷續(xù)延伸的NNE、NE和NEE向的次級斷裂所構(gòu)成，多為正斷層和走滑斷層(圖3)。1411年當(dāng)雄南發(fā)生8級地震，形成大量地震地表破裂帶。山前正斷層帶斷續(xù)分布，其上可以觀察到破碎帶、斷層三角面和河流階地、洪積扇垂直錯動等現(xiàn)象。另外，在高分辨率遙感圖像上發(fā)現(xiàn)在年波以西及江多附近山麓地帶出現(xiàn)古地震破裂帶，破裂帶以地表破裂、地震鼓包、地塹、陡坎為主，年波至達弄多段長18km，局部可見左旋錯動的沖溝與河流，左旋位移量分別為150m和270m(圖4 a)。江多至共多段長6km，從圖像上可以觀察到張剪性破裂形成的小型拉分盆地，呈“S”形，對角線長374m，盆地內(nèi)發(fā)育長軸、短軸分別為90m和26m的近似橢圓形斷陷湖(圖4b，5c);根據(jù)Mann提出的拉分盆地連續(xù)演化模型，該盆地正處于演化的第3階段，即主斷裂連續(xù)位移形成S形盆地，說明控制該盆地的斷層仍處于活躍期。曲才鄉(xiāng)東北側(cè)躺兵錯附近觀察到2條近平行的NEE向走滑斷裂，共同控制了菱形躺兵錯湖盆的形態(tài)，還可見明顯的走滑位移，小型斷塞塘及地表破裂(圖4c);2013年7月對該段進行野外調(diào)查的結(jié)果也驗證了解譯結(jié)果的準(zhǔn)確性(圖5)。

3.3 F3段遙感解譯

F3總長50km，總體走向NNE—SN，由多條次級斷裂組成。斷裂連續(xù)性較好，以正斷層為主，圖像中可見線性斷層崖。吉達果東側(cè)及羊易附近水系受正斷層活動控制，呈似平行樹枝狀展布(圖6)。該地區(qū)高程剖面圖可見盆地西緣地勢較陡，高程落差較大;東緣起伏平緩，由于正斷層活動較強，河流階地被錯動，在4 500～4 800m高度形成多級斷層崖，斷裂發(fā)育的以礫石及粉砂為主的全新世冰磧物沉積階地(T1，T2，T3)被錯斷，與地質(zhì)剖面所揭示的該地區(qū)正斷層活動形成的地貌大致吻合(圖7)。2008年10月6日該區(qū)羊易鄉(xiāng)附近曾發(fā)生MS6.6地震，表明區(qū)內(nèi)斷裂現(xiàn)今仍有極強的活動性。

3.4 斷裂帶分段活動性分析與比較

圖4 F2段高分辨率遙感圖像Fig.4 High-resolution remote sensing images of F2.

研究區(qū)內(nèi)念青唐古拉山為最高山脈，主要河流自NW向SE跨越念青唐古拉山東南麓斷裂帶匯入當(dāng)雄－羊八井盆地，該斷裂帶活動引發(fā)1411年當(dāng)雄南、1952年谷露和2008年當(dāng)雄強震，選取跨越斷裂帶規(guī)模較大的河流(河長＞4km)計算河長坡降指標(biāo)(SL)、均衡坡降指標(biāo)(K)與標(biāo)準(zhǔn)化坡降指標(biāo)(SL/K)。

F1段河流SL/K值有87.7%位于0～2之間(圖8)，河道較平緩。河流R1位于1952年谷露地震震中附近，河道SL/K值分布極不均勻，其Hack剖面圖呈明顯的上凸形態(tài)(圖9)，在河流中下游靠近震中位置處剖面線出現(xiàn)異常波動變化，并急劇下降;同時，相應(yīng)河段的SL/K值出現(xiàn)最高達6.97的異常峰值，說明受本次地震影響，流域地區(qū)差異隆升強烈，震中附近河流梯度較高，河道高程變化劇烈，在遙感圖像上也觀察到河流跨越山前斷層崖、斷層陡坎等現(xiàn)象。

F2段區(qū)內(nèi)4條河流(R2，R3，R4，R5)流經(jīng)1411年當(dāng)雄南地震震中附近，SL/K值在河流中下游距震中較近位置出現(xiàn)異常波動，而它們的Hack剖面圖相同位置上均出現(xiàn)異常突變(圖10箭頭所示)，在遙感圖像上該位置正是河流流經(jīng)山前斷層展布地帶處，多觀察到破碎帶、斷層三角面和河流階地、洪積扇垂直錯動等現(xiàn)象，其余河流亦是如此。這種異常變化不僅印證了斷層活動對河床剖面的影響，而且結(jié)合該變化特征進行遙感解譯可以提高斷裂位置解譯的準(zhǔn)確性。

圖5 F2段野外調(diào)查照片F(xiàn)ig.5 The field work photos of the section F2.

F3段編號R6、R7的河流Hack剖面整體呈上凸形態(tài)，但局部河段剖面出現(xiàn)凸－凹形變化(圖11箭頭處)。在河流R7的中下游地區(qū)通過斷裂的位置，上凸的Hack剖面曲線出現(xiàn)異常凹陷，呈明顯的凸－凹形變化，表明在區(qū)域強烈構(gòu)造隆升背景下，構(gòu)造活動的時間較新，河流在發(fā)展過程中來不及作出調(diào)整而在河道剖面上留下凸－凹形痕跡。

從全部3段SL/K值與遙感解譯的斷裂位置疊加圖(圖12)中可以看出河流SL/K值在山前盆地交接地帶普遍出現(xiàn)峰值，各條河流在此位置的支流不多，且基巖大多為堅硬的花崗巖層，巖性變化不大，河流在通過該地帶后河長坡降指標(biāo)降低，同時結(jié)合遙感圖像可以看出大部分交接地帶地表有斷層活動痕跡，因此可以判斷圖中坡度異常高值的出現(xiàn)是由斷層活動引起的。其中F3段峰值出現(xiàn)頻率較高，陡河段較多，SL/K平均值為1.63;F2段次之，平均值為1.13;F1段最低，平均值為1.01，由F1向F3總體呈增大趨勢。從歷史地震分布情況來看，F(xiàn)3段小震數(shù)量最多，分布集中，最近一次強震發(fā)生于2008年10月;而F1、F2段較平靜，小震零散分布，與SL/K值變化趨勢相似，這表明地震的活動對河道的改造程度由F1向F3依次增大，斷裂的活動性依次增強。

圖6 F3段遙感圖像Fig.6 Remote sensing image of section F3.

均衡坡降指標(biāo)(K)代表河流的侵蝕能力，影響河流侵蝕能力的1個重要因素是差異性構(gòu)造抬升導(dǎo)致侵蝕基準(zhǔn)面下降，進而導(dǎo)致河流嚴(yán)重下切。異常高的K值表示河流具有較高的梯度，反映流域地區(qū)差異隆升強烈，相應(yīng)的侵蝕能力強。反之，異常低的K值表示河流侵蝕能力較低，流域地區(qū)構(gòu)造穩(wěn)定，差異隆升較弱(Brookfield，1998;Chen et al.，2003)。斷裂的活動性質(zhì)以正斷層為主兼具走滑分量，3段均同時具有水平和垂直位移，從全區(qū)河流均衡坡降指標(biāo)(K)統(tǒng)計圖(圖13)來看，F(xiàn)1段K值集中在300左右，平均值為275.5;F2段K值集中在350左右，平均值為360.3;F3段K值集中在400左右，平均值為421.8;趨勢線呈現(xiàn)由F1向F3遞增的趨勢，這表明F3段正斷層活動性較強，構(gòu)造抬升對河流侵蝕力影響較大，F(xiàn)1、F2段正斷層活動性相對較弱，走滑活動增強，在遙感圖像上河流出現(xiàn)錯動的現(xiàn)象增多。

圖7 吉達果盆地高程剖面圖及地質(zhì)剖面圖(據(jù)吳章明等，1992)Fig.7 Elevation and geological profile of the Jidaguo Basin(after WU Zhang-ming et al.，1992).

圖8 F1段SL/K統(tǒng)計圖Fig.8 SL/K statistical chart of F1.

圖9 R1 Hack剖面及SL/K曲線圖Fig.9 Hack profile and SL/K chart of R1.

圖10 F2段R2—5河流Hack剖面及SL/K曲線圖Fig.10 R2—5 Hack profile and SL/K chart of F2.

圖11 F3段R6—7河流Hack剖面圖Fig.11 R6—7 Hack profile of F3.

圖12 全區(qū)SL/K值與遙感解譯的斷裂疊加圖Fig.12 SL/K overlay with the remote sensing interpreted faults of the study area.

圖13 研究區(qū)河流均衡坡降指標(biāo)(K)統(tǒng)計圖Fig.13 River balanced length-gradient index statistical chart.

4 結(jié)論

文中利用Landsat ETM+和ALOS 2種不同分辨率的遙感圖像并通過野外調(diào)查對念青唐古拉山東南麓斷裂帶空間展布和第四紀(jì)構(gòu)造地貌特征進行了詳細解譯，計算并分析了區(qū)內(nèi)河流的河長標(biāo)準(zhǔn)化坡降指標(biāo)(SL/K)與Hack剖面變化特征。遙感解譯發(fā)現(xiàn)區(qū)內(nèi)植被覆蓋較少，斷裂帶呈三段式分布，斷裂活動在地表形成了斷層崖、斷層三角面及地表破裂帶等不同地貌，盆地內(nèi)部發(fā)育小型拉分盆地、斷陷湖及沼澤構(gòu)造，它們的分布及發(fā)育明顯受到斷層的控制。以上地貌標(biāo)志在高分辨率圖像上表現(xiàn)比較明顯，基本反映了斷裂帶以正斷層為主兼具走滑運動性質(zhì)。

河流地貌參數(shù)的計算發(fā)現(xiàn)河流Hack剖面圖呈明顯的上凸形態(tài)，表明區(qū)內(nèi)地貌差異隆升強烈，構(gòu)造活動的時間較新，有的河流在發(fā)展過程中來不及作出調(diào)整而在整體上凸的Hack剖面上出現(xiàn)局部異常凹陷，呈明顯的凸－凹形變化。河長標(biāo)準(zhǔn)化坡降指標(biāo)(SL/K)異常值出現(xiàn)的地帶與斷裂活動留下的地貌痕跡有很好的一致性，這種異常變化不僅印證了斷層活動對河床剖面的影響，而且結(jié)合該變化特征進行遙感解譯可以提高斷裂位置解譯的準(zhǔn)確性。全區(qū)SL/K平均值由F1向F3總體呈增大趨勢，從歷史地震分布情況來看，F(xiàn)3段小震數(shù)量最多，分布集中而F1、F2段較平靜，小震零散分布，與SL/K值變化趨勢相似，這表明地震的活動對河道的改造程度由F1向F3依次增大，斷裂的活動性依次增強。代表河流的侵蝕能力的均衡坡降指標(biāo)(K)的趨勢線由F1向F3遞增，表明F3段正斷層活動性較強，構(gòu)造抬升對河流侵蝕力影響較大;F1、F2段正斷層活動性相對較弱，走滑活動增強，在遙感圖像上河流出現(xiàn)錯動的現(xiàn)象增多。念青唐古拉山東南麓斷裂帶及當(dāng)雄－羊八井?dāng)嘞菖璧刈鳛榍嗖馗咴胁恐匾臉?gòu)造轉(zhuǎn)換及吸收帶，至今仍有較強的活動性，地震活動較頻繁，需重點予以關(guān)注。